J. Pluta, Metody i technologie jądrowe Reakcje rozszczepienia i energetyka jądrowa Energia wiązania nukleonu w jądrze w funkcji liczby masowej jadra A: E w Warunek energetyczny deficyt masy:
Reakcja rozszczepienia Studnia potencjału dla protonu i neutronu
Reakcja rozszczepienia Przykładowa reakcja rozszczepienia 235 1 91 142 U n Kr Ba 3 92 0 36 56 1 0 n
Jak to przebiega? Reakcja rozszczepienia
Reakcja rozszczepienia Dlaczego rozpady beta(-)..bo jądra powstałe w wyniku rozszczepienia posiadają nadmiar neutronów. Tworzą się sztuczne szeregi promieniotwórcze. emisja neutronów opóźnionych
Reakcja rozszczepienia Uwalniają się duże ilości energii... Jakiej energii co nią jest? Energia uwalniana w reakcji: C + O 2 => CO 2, wynosi ok. 4 ev. Stosunek wynosi 50 *10 6!!!
Reakcja rozszczepienia Co się dzieje z kilkoma neutronami uwolnionymi w reakcji rozszczepienia?
Reakcja rozszczepienia Energia neutronów emitowanych w reakcji rozszczepienia 235 U jest rzędu 1 MeV. Materiały rozszczepialne: 233 U, 235 U, 239 Pu Uran naturalny zawiera 0.7% uranu 235 U:
Reakcja rozszczepienia
Reaktory jądrowe Porównanie elektrowni: a) klasyczna b) Jądrowa PWR Pressurized Water Reactor)
Reaktory jądrowe Stany pracy reaktora: Podkrytyczny reakcja wygasa Krytyczny stan równowagi Nadkrytyczny reakcja lawinowa Współczynnik mnożenia: k n i 1 n i n i liczba neutronów w i-m pokoleniu n i+1 liczba n. w nast. pokoleniu Współczynnik reaktywności: p r k 1 k Istotna rola moderatora i reflektora neutronów
Reaktory jądrowe Wartość współczynnika k zależy od: Stopnia wzbogacenia paliwa Stosunku ilości moderatora do ilości paliwa Geometrii rdzenia reaktora Rodzaju moderatora i chłodziwa Zależność k od temperatury: PWR -Zmniejszenie przekroju czynnego na absorpcje neutronów w wodzie - p r rośnie -Zmniejszenie gęstości wody p r maleje (efekt dominujący) -Wzrost temperatury => zmniejszenie reaktywności -(ujemne temperaturowe sprzężenie zwrotne) RBMK Zmniejszenie przekroju czynnego na absorpcje neutronów w wodzie - p r rośnie Zwiekszenie strumienia neutronów spowalnianych w graficie - p r rośnie -Wzrost temperatury => zwiększenie reaktywności (dodatnie temperaturowe sprzężenie zwrotne)
Reaktory jądrowe Sterowanie reaktorem: -pręty sterownicze materiał silnie absorbujący neutrony termiczne (kadm) -źródło rozruchowe pręty sterownicze głęboko w rdzeniu - sterowanie położenie prętów sterowniczych wewnątrz reaktora Zatrucie reaktora: - absorpcja neutronów przez produkty rozszczepień - trucizna reaktorowa 135 Xe ksenon bardzo duży przekrój czynny na wychwyt neutronów termicznych - rozpad ksenonu T 1/2 =9.2 godz. - w stanie krytycznym równowaga promieniotwórcza - czas martwy kilkadziesiąt godzin
PWR Reaktor wodny ciśnieniowy Grubościenny zbiornik o rozmiarach rzędu kilku metrów Paliwo: UO 2 wzbogacenie 3-4% ciśnienie wody 16 MPa (160 atm) Temperatura wody: 300-340 o C Rola wody: moderator, chłodziwo, reflektor Moc: do 1.5 GW
Pressurized Water Reactor (PWR)
Reaktory jądrowe PWR RBMK RBMK Reaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj
II Szkoła Energetyki Jądrowej A.Strupczewski Bezpieczeństwo Elektrowni Jądrowych Dawniej i Dzis
II Szkoła Energetyki Jądrowej A.Strupczewski Bezpieczeństwo Elektrowni Jądrowych Dawniej i Dzis
II Szkoła Energetyki Jądrowej A.Strupczewski Bezpieczeństwo Elektrowni Jądrowych Dawniej i Dzis
CANDU
Реактор Большой Мощности Канальный
RBMK Reaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj Реактор Большой Мощности Канальный Paliwem jest naturalny uran Woda jest jedynie chłodziwem, i przepływa tylko przez poszczególne kanały Moderatorem jest grafit Wymiana paliwa możliwa podczas pracy reaktora Możliwość wytwarzania plutonu dla celów wojsk.
Mechanizm awarii w Czarnobylu W reaktorze RBMK grafit pracuje w bardzo wysokiej temperaturze (ok. 750 o C), znacznie przekraczającej jego temperaturę zapłonu w powietrzu. Bliskie sąsiedztwo pary wodnej pod ciśnieniem i gorącego grafitu stwarza niebezpieczeństwo reakcji chemicznej prowadzącej do wytworzenia tzw. gazu wodnego. H O C CO 2 H 2 W przypadku rozerwania rury ciśnieniowej gorąca para dostaje się do grafitu. Reakcja prowadząca do powstania gazu wodnego zachodzi przy temperaturach 1000-1200 o C, a więc niewiele wyższych od normalnej temperatury eksploatacyjnej w graficie. Jeśli w reaktorze dochodzi do utraty chłodziwa z obiegu pierwotnego, to w miarę przekształcania się wody w parę zachodzą w nim dwa niekorzystne procesy. Po pierwsze para jest gorszym chłodziwem niż woda, a więc paliwo zaczyna się podgrzewać i temperatura rośnie. Jednocześnie para wodna pochłania mniej neutronów niż woda, wskutek czego odparowanie wody powoduje w reaktorze RBMK wzrost jego mocy. Ten drugi efekt doprowadza do nagłego zwiększenia strumienia neutronów, wzrostu intensywności reakcji rozszczepienia i nagłego lokalnego przegrzania części rdzenia.
Nowe tendencje w energetyce jądrowej ADS Accelerator Driven System - reaktory sterowane akceleratorami, rekcje transmutacji Reaktory wysokotemperaturowe synergia węglowo-jądrowa Kontrolowana reakcja termojądrowa - reaktory termojądrowe
ADS
ADS
Rekcje fuzji termojądrowej 2 3 4 1 1H 1H 2He 0n Q(17.6MeV )
Warunki zachodzenia reakcji Iloczyn potrójny; kryterium Lawsona Temperatura; powyżej 100 mln K Gęstość (konieczność usuwania popiołu (He)) Utrzymanie plazmy Iloczyn musi być większy niż ściśle określona wartość.
Utrzymanie gorącej plazmy w reaktorze typu TOKAMAK
Reaktor termojądrowy ITER w Cadarache (Francja)
Energetyka jądrowa Aktualna problematyka energetyki, środowiska i ekologii